世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计,绝无仅有

1 工程概况

迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑,由美国SOM公司设计,工程总承包单位为韩国三星,我国江苏南通六建集团公司承包土建施工,幕墙分别由香港远东、上海力进、陕西恒远三家公司承包。自2004年9月至2010年1月,总工期为1325d,用工2200万工时,总造价为15亿美元。

建筑总高度为828m;混凝土结构高度为601m;基础底面埋深为30m;桩尖深度为70m;全部混凝土用量为330000m3;总用钢量为104000t(高强钢筋为65000t,型钢为39000t)。总建筑面积为526700m2;塔楼建筑面积为344000m2;塔楼建筑重量为50万t;可容纳居住和工作人数为12000人;有效租售楼层为162层。

哈利法塔是一座综合性建筑,37层以下是阿玛尼高级酒店;45~108层是高级公寓,共700套,78层是世界最高楼层的游泳池;108~162层为写字楼;124层为世界最高的观光层,透过幕墙的玻璃可看到80km外的伊朗;158层是世界最高的清真寺;162层以上为传播、电信、设备用楼层,一直到206层;顶部70m是钢桅杆(图1)。

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图1 哈利法塔立面

为保持世界最高建筑的地位,钢结构顶部设置了直径为1200mm的可活动的中心钢桅杆,可由底部不断加长,用油压设备不断顶升,其预留高度为200m(图2)。为此哈利法塔始终不宣布建筑高度。到2009年底,确认5年内世界各国都不可能建成更高的建筑,才最后确定828m的最终高度。2010年1月4日,哈利法塔举行了开幕式,正式宣布建成(图3)。

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图2 顶部可升高的钢桅杆

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图3 哈利法塔灯光

2 建筑设计

哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花——DesertFlower”,平面是三瓣对称盛开的花朵(图4);立面通过21个逐渐升高的退台形成螺旋线,整个建筑物像含苞待放的鲜花。这朵鲜花在沙漠耀眼的阳光下,幕墙与蓝天一色,发出熠熠光辉。

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图4 三瓣盛开的沙漠之花

哈利法塔的建筑幕墙总面积为13.5万m2,其中塔楼部分为12万m2。幕墙总造价约为人民币8亿元,约为6000元/m2。哈利法塔很高,风力作用下,上部楼层水平位移较大,将酒店和公寓安排在下部楼层,办公楼层放在上层,可获得更好的舒适性。按现在的布局,公寓最高层为108层,最大位移为450mm,办公最高层为162层,最大位移为1250mm。

3 风洞试验

为了给主体结构设计和幕墙设计提供技术依据,进行了40次以上的风洞试验。风洞试验在加拿大安大略RWDI边界层风洞进行。风洞尺寸为2.4m×1.9m和4.9m×2.4m。分别进行了刚性模型的力平衡试验和弹性模型的多自由度试验。按50年一遇的风力,做了风压分布、风环境(图5)、风气候等方面的研究。模型测点为1140个。

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刚性和气弹性整体模型为1/500,局部风力研究的模型为1/250及1/125。取用了6个主风向:3个翼尖方向和3个凹入方向,试验表明主控制方向是翼尖风向。

50年一遇风力按55m/s考虑,最大风力在退台附近。最大负风压为-5.5kPa,最大正风压为+3.5kPa。

4 结构体系和结构布置

4.1结构体系

“全钢结构优于混凝土结构,适合于超高层建筑”,这是20世纪六七十年代的普遍共识。这个时期大量建造了300m以上的钢结构高层建筑,如1971年建成的纽约世界贸易中心双塔(412m)、1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(442m)。到了20世纪八九十年代,人们发现纯钢结构已不能满足建筑高度进一步升高的要求,其原因在于钢结构的侧向刚度提高难以跟上高度的迅速增长。从此以后,钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高层建筑的基本形式。我国如上海金茂大厦(1997年,420m)、台北101(1998年,448m)、香港国际金融(2010年,420m)、广州西塔(2010年,460m)、广州电视塔(2009年,460m)、上海环球金融(2009年,492m)、上海中心(2014年,632m),深圳平安保险(在建,680m)等,均无一例外。

哈利法塔作了前所未有的重大突破,采用了下部混凝土结构、上部钢结构的全新结构体系。-30~601m为钢筋混凝土剪力墙体系;601~828m为钢结构,其中601~760m采用带斜撑的钢框架。我们可以比较一下:纽约世贸中心纯钢结构,412m处的最大侧移为1000mm;而哈利法塔混凝土结构,601m处的最大侧移仅为450mm。

即使从哈利法塔本身来看,到混凝土结构的顶点601m处,最大位移仅450mm;到了钢框架顶点760m处,位移就迅速增大至1250mm;到钢桅杆顶点828m处,位移就达到了1450mm。所以哈利法塔把酒店和公寓都布置在601m以下的混凝土结构部分;而将601m以上的钢结构部分作为办公楼使用。

4.2结构布置

采用三叉形平面可取得较大的侧向刚度,降低风荷载,有利于超高层建筑抗风设计。同时对称的平面可保持平面形状简单,施工方便。

整个抗侧力体系是一个竖向带扶壁的核心筒。六边形的核心筒居中;每一翼的纵向走廊墙形成核心筒的扶壁,共6道;横向分户墙作为纵墙的加劲肋;此外,每翼的端部还有4根独立的端柱。这样一来,抗侧力结构形成空间整体受力,具有良好的侧向刚度和抗扭刚度(图6)。

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中心筒的抗扭作用可模拟为一个封闭的空心轴,由3个翼上的6道纵墙扶壁而大大加强;而走廊纵墙又被分户横墙加强。整个建筑就像一根刚度极大的竖向梁,抵抗风和地震产生的剪力和弯矩。由于加强层的协调,使端部柱也参加抗侧力工作。

4.3竖向布置

竖向形状按建筑设计逐步退台,剪力墙在退台楼层处切断,端部柱向内移。分段步步切断可使墙、柱的荷载平顺地逐渐变化,同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。全高21个退台要形成优美的塔身宽度变化曲线,且要与风力的变化相适应。

建筑设计在竖向布置了7个设备层兼避难层,每个设备层占二三个标准层。利用其中的5个设备层做成结构加强层(图7)。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁,使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。而且,刚性大梁调整了各墙、柱的竖向变形,使得它们的轴向应力更均匀,降低了各构件徐变的变形差。

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图7 五个结构加强层

5结构设计和结构分析

5.1混凝土结构设计

混凝土结构设计按美国规范ACI318-02进行。

混凝土强度等级:127层以下为C80;127层以上为C60。C80混凝土90d弹性模量为43800N/mm2,采用硅酸盐水泥,加粉煤灰。

进行了构件截面尺寸的仔细调整以减少各构件收缩和徐变变形差。原则上使端柱和剪力墙在自重作用下的应力相近。由于柱和薄的剪力墙收缩较大,所以端柱的厚度与内墙相同,取600mm。设计时尽量考虑构件的体积与表面积的比值接近,使各构件的收缩速度接近,减少收缩变形差。

在立面内收处,钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载(包括徐变和收缩的效应),并联系剪力墙肢以承受侧向荷载。连梁按ACI318-02附录A设计,计算图形为交叉斜杆。这个设计方法可使连梁高度降低。

楼层数量多,压低层高有很大的意义。标准层层高为3.2m,采用无梁楼板,板厚为300mm(图8)。

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5.2钢结构设计

601m以上是带交叉斜撑的钢框架,它承受重力、风力和地震作用。钢框架逐步退台,从第18级的核心筒六边形到第29级的小三角形,最后只剩直径为1200 mm的桅杆。这根桅杆是为保持世界第一建筑高度而专门设计的,它可从下面接长,不断顶升,预留了200m的上升高度(图9)。

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所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。钢结构按美国钢结构协会AISC《钢结构建筑荷载和抗力系数设计规范》进行设计。

5.3结构分析

结构分析采用ETABS8.4版,考虑了重力荷载(包括P-D二阶效应)、风荷载和地震效应。建立三维分析模型,包括钢筋混凝土墙、连梁、板、柱、顶部钢结构、筏板和桩。

分析模型共73500个壳元、75000个节点。分析参数如下。

(1)风力:50年一遇,55m/s,风压按风洞试验取值;

(2)地震:按美国标准UBC97的2a区,地震系数为0.15,相当于我国8度设防;

(3)温度:气温变化范围为2~54℃。

分析结果表明,在50年一遇风力作用下,结构水平位移:828m顶部处为1450mm,办公层顶部处为1250mm,公寓层顶部处为450mm。这个位移值低于通用的标准,符合设计的要求。动力分析得到各振型和周期:T1=11.3s(X向),T2=10.2s(Y向),T5=4.3s(扭转)。

内力分析表明,钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用;但裙房和顶部钢结构处,地震内力对设计有作用。

6长期荷载分析和施工过程分析

6.1超高建筑竖向荷载的时间和过程效应

通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内力和位移。随高度增加,这种分析方法会偏离真实情况。因为长期过程,即与时间相关的施工顺序、徐变、收缩都会引起内力重分布,而且竖向荷载还产生水平侧移,这些采用常规分析是不可能的。

哈利法塔设计中对这些因素进行了详细的分析。分析采用了GL2000(2004)模型,考虑了钢筋的影响,也考虑了施工过程。

6.2施工过程分析

施工全过程分成15个阶段,采用三维模型进行分析,同时也考虑了收缩和徐变。每个模型都代表施工过程的一个时间点,施加当时所增加的新荷载。到施工结束,分析还延续到50年后。

6.3补偿技术

施工过程中两个方向的平移应根据计算结果予以补偿、校正;竖向压缩则每层的层高应增加一个补偿值。中心筒在施工过程中会产生偏心,偏心调整应每层进行,可以通过纠正重力荷载产生的侧移(弹性位移、基础底板沉降差、徐变、收缩)来补偿。

6.4竖向缩短

结构竖向压缩每层平均为4mm,整座建筑的顶点为650mm。这个缩短通过每层标高的调整来补偿。

由于收缩和徐变,钢筋混凝土竖向构件的内力会在钢筋和混凝土之间重新分配。由于要求两者应变相同,混凝土分担的内力会逐渐减少,而钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第135层的墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15%,85%变为30%,70%。

7地基和基础

采用摩擦桩加筏板联合基础(图10)。

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图10 桩筏联合基础

7.1地基

地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。天然地基土与混凝土桩的表面极限摩擦力为250~350kPa。

7.2桩

194根现场灌注桩,长度约43m,直径为1500mm。桩的设计承载力为3000t。现场进行了压桩试验,最大压力为6000t,桩尖深度为70m。

迪拜地下水有腐蚀性,氯离子浓度为4.5%,硫为0.6%。因此桩采用C60混凝土,加25%粉煤灰和7%硅粉;水灰比为0.32,坍落度为675mm。

7.3筏板

筏板厚度为3.75m,采用C50自密实混凝土(SCC),加40%粉煤灰,水灰比为0.34。在现场进行了坍落度和流动性试验。

钢筋间距双向为300mm,但在每一个方向每隔10根钢筋取消1根钢筋,形成600mm×600mm的无钢筋洞口,便于浇筑混凝土。为了研究浇灌工艺和控制温升的措施,在现场制作了边长为3.75m的实大立方体。

为减弱地下水的腐蚀作用,底板铺设了一层钛丝编织的阴极保护网。

筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析。分析指出,基础长期沉降为80mm,施工到135层时沉降为30mm。工程完工后,实测沉降为60mm。

8施工

8.1混凝土配合比

竖向结构混凝土要求10h强度达到10MPa以保证混凝土施工能正常循环。最终强度达到80MPa(127层以下)和60MPa(127层以上),C80混凝土的弹性模量为44000MPa。混凝土还要有好的和易性,有适合于600m泵送高度的坍落度。

迪拜冬天冷,夏天气温则在50℃以上,所以不同季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。

8.2混凝土的超高度泵送

哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录-601m。达到这个空前高度的最大困难是混凝土的配合比设计。采用了4种不同的配合比以便能用较小的压力把混凝土送到不同的高度。

2005年4月进行了一次水平泵送试验,泵送压力与送到600m高度的压力相同。试验确认了泵送600m高度的可行性,并实测了摩擦系数,泵送压力为20MPa。

所用的泵送混凝土含13%粉煤灰和10%的硅粉。集料最大粒径为20mm;自密实,坍落度为600mm。

采用了3台世界上最大的混凝土泵,压力可达35MPa。配套直径为150mm的高压输送管。

8.3模板和混凝土浇筑

整个基础筏板混凝土接近45000m3,按中心部分和3个翼板分成4段浇筑,每段相隔24h。

上部结构的墙体用自升式模板系统(图11)施工,端柱则采用钢模施工,无梁楼板用压型钢板作为模板。首先浇筑中心筒及其周边楼板,然后浇筑翼墙及相关楼板,最后是端柱和附近楼板(图12)。

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图11 自升式模板系统

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图12 墙体混凝土浇注

8.4施工监测

本工程高达828m,施工测量控制成为突出的问题。现有的测量手段无法满足要求。本工程施工采用了全球卫星定位系统GPS控制施工全过程的精度。

迪拜哈利法塔以828m的超高度,52万m2的巨大建筑面积,给我们提供了丰富的设计和施工经验。随着国内632m的上海中心、680m的深圳平安保险大厦等一批600m以上建筑即将设计施工,我国的高层建筑技术将会提高到一个新的水平。

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